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Light-material interaction based self-organized nanopatterning and flexible artery pulse sensor = 광 물질 상호작용 기반의 자가 나노패터닝 및 유연 맥박센서 연구
서명 / 저자 Light-material interaction based self-organized nanopatterning and flexible artery pulse sensor = 광 물질 상호작용 기반의 자가 나노패터닝 및 유연 맥박센서 연구 / Dae Yong Park.
저자명 Park, Dae Yong ; 박대용
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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초록정보

In the modern society, flexible electronic materials and devices have great deal of attention for the next-generation information technology (IT) such as internet of things (IoTs), wearable electronics, and bio-medical devices, which can offer convenient lifestyle unprecedented to the previous eras. Although various researches including organic and carbon materials have been conducted for flexible electronics, they have ex-hibited insufficient electrical properties and poor scalability. For inorganic or nano materials, high temperature thermal conditions including material synthesis, an-nealing and semiconductor process have to be employed for high-performance flexible electronics. However, plastic substrates have an inherent thermal limitation such as low melting point, and heat shrinkage/expansion, requiring new solutions to directly implement high-performance flexible materials and devices on plastics. In this regard, light-material interaction has provided powerful solutions for realizing future flexible materials and devices (e.g., solar cells, smart sensors on plastics, and transparent conductors), via the exceptional capability to stimulate physical/chemical reactions. Here, we introduce ultrafast 2-dimensional material synthesis, sub-10 nm patterning, and inorganic based laser lift off technique via light-material interactions for next-generation technology. In chapter 2, we report novel synthesis method of multilayer graphene (MLG) using xenon flash lamp, which has never been reported. The custom-designed xenon flash system could quantitatively control the ratio of gas molecules (acetylene/argon/hydrogen), and pulse width/intensity of light to optimize the flash-induced graphene synthesis. The thickness of Ni film was precisely determined to minimize the lattice mismatch between graphene and Ni for high-throughput and structurally homogeneous graphene growth. High-intensity flash light could rapidly raise the temperature of Ni thin film to induce chemical bond breaking of hydrocarbon precursor, enabling synthesis of MLG by time controlled thermal cooling mechanism. The synthesized MLG was successfully transferred onto flexible polyethylene terephthalate film, which shows high quality, and uniform MLG. Finally, the principles of MLG synthesis was theoretically investigated by finite element method, proving that photo-thermal interactions between flash and Ni could sufficiently provide the thermal energy for ultrafast and large-area MLG growth. These results may open up a new feasibility of the xenon flash lamp system for mass production of graphene associating with highly productive roll-to-roll process. In chapter 3, we introduce wafer-scale reliable, fab-compatible and ultrafast directed self-assembly (DSA) of high-χ BCPs using Xenon flash lamp annealing. Millisecond scale instantaneous heating/quenching process over extremely high temperature (over 600 °C) enabled by flash light irradiation successfully achieved ultrafast large grain growth of sub-10 nm scale self-assembled nanopatterns with minimal defect formation. The underlying mechanism for the rapid high order self-assembly is analyzed based on the kinetics and thermodynamics of BCPs self-assembly. Furthermore, this novel self-assembly process was applied to graphoepitaxial assembly to demonstrate the feasibility of DSA nanolithography with sub-10 nm patterns over a large area. In chapter 4, we report self-powered real-time arterial pulse monitoring system utilizing epidermal piezoelectric sensor. An ultrathin sensor enables conformal attachment to the rugged skin and response to the tiny human pulse signals. The self-powered piezoelectric sensor showed characteristics with a sensitivity of 0.018 kPa^{-1} and response time of 60 ms, and good mechanical stability. Ultrathin pulse sensor on human wrist and neck detected radial/carotid arterial pulse, respiration rates, and trachea movements for medical health monitoring. Our piezoelectric sensor exhibited good biocompatibility from human and mouse cell cytotoxicity test. Furthermore, we demonstrated a complementary signal processing circuit which amplifies and filters the tiny pulse voltage for real-time health monitoring operation. Finally, radial artery pulse detected by piezoelectric pulse sensor was wirelessly transmitted to smart phone. In chapter 5, we report band-shaped prototype wearable sphygmomanometer by implementing a piezoelectric based pressure sensor on a flexible printed circuit board (FPCB). With the principle of piezoelectric effect, we examined a correlation between output voltage of the sensor obtained by radial artery pulse and actual systolic/diastolic blood pressure (SBP/DBP) values. The FPCB was designed with various integrated circuits (ICs) and chips that process the pulse signals detected by the sensor including RC-based band pass filtering, charge IC, voltage booster/converter, and operational amplifier and so on. The analogy results showed a linear relationship between output voltage and blood pressure. Furthermore, we presented an algorithm to predict SBP/DBP value for continuous cardiovascular monitoring. Finally, with experimentally acquired correlation and algorithm, we estimated the SBP/DBP from detected radial artery pulse signal, confirming that the SBP/DBP values had an error range of ~2.4% and 9.7 %, respectively. These results will open up a new approach to self-powered wearable active sensor system for continuous health monitoring devices. In chapter 6, we report flexible lead-free piezoelectric based active sensor via screen-printed LNKN thin film for biocompatible epidermal sensor. The LNKN thin film with tens of microns thickness was obtained by only one squeeze motion, which methods is extremely easy, simple and cost-effective compared to vacuum based deposition methods. The flexible LNKN sensor responded to various mechanical modes including lateral strain and normal pressure, showing characteristics with a sensitivity and response time of 1.015 V$ε^{-1}$ and 70 ms, and those of 0.0062 V$kPa^{-1}$ and 90 ms, respectively. Our active sensor also exhibited a good mechanical durability over a long period of 10 days. Furthermore, flexible LNKN sensor on human neck detected carotid artery pulse and deep respiration actions, which signal was wirelessly delivered to a smart phone after amplification and filtering for reliable real-time medical signal monitoring.

현대 사회에서 유연 전자 재료 및 장치는 IoT (Internet of Things), 웨어러블 전자 장치 및 생체 의료 장치와 같은 차세대 정보 기술 (IT) 분야에서 주목할만한 제품으로, 전례가없는 편리한 라이프 스타일을 제공 할 수 있습니다. 이전 시대. 유연한 전자 소자에 대해서는 유기물 및 탄소 재료를 포함한 다양한 연구가 진행되었지만 전기 특성이 불충분하고 확장 성이 떨어진다. 무기 또는 나노 재료의 경우, 고성능 합성 전자 제품에 재료 합성, 전자 공학 및 반도체 공정과 같은 고온 열 조건을 사용해야합니다. 그러나 플라스틱 기판은 낮은 융점 및 열 수축 / 팽창과 같은 고유 한 열 제한을 가지고있어 플라스틱에 고성능 유연 소재 및 장치를 직접 구현하는 새로운 솔루션이 필요합니다. 이와 관련하여, 경질 물질 상호 작용은 물리적 / 화학적 반응을 자극하는 탁월한 능력을 통해 미래의 유연한 재료 및 장치 (예 : 태양 전지, 플라스틱상의 스마트 센서 및 투명 전도체)를 실현하는 강력한 솔루션을 제공합니다. 여기서는 차세대 기술을위한 경량 재료 상호 작용을 통해 초고속 2 차원 재료 합성, 10nm 미만의 패터닝 및 무기 기반의 레이저 리프트 오프 기술을 소개합니다. 2 장에서는 크세논 플래시 램프를 이용한 다층 그래 핀 (MLG)의 새로운 합성 방법을 발표했다. 맞춤형 크세논 플래시 시스템은 플래시 유도 된 그래 핀 합성을 최적화하기 위해 가스 분자 (아세틸렌 / 아르곤 / 수소)의 비율과 펄스 폭 / 빛의 강도를 정량적으로 제어 할 수 있습니다. Ni 막의 두께는 고효율 및 구조적으로 균일 한 그래 핀 성장을 위해 그래 핀과 Ni 사이의 격자 불일치를 최소화하기 위해 정확하게 결정되었습니다. 고강도 플래시 라이트는 Ni 박막의 온도를 빠르게 올리면 탄화수소 프리 커서의 화학 결합 파괴를 유도하여 시간 제어 열 냉각 메커니즘으로 MLG를 합성 할 수 있습니다. 합성 된 MLG는 고품질의 균일 한 MLG를 나타내는 유연한 폴리에틸렌 테레 프탈레이트 필름으로 성공적으로 이전되었습니다. 최종적으로, MLG 합성의 원리는 이론적으로 유한 요소법에 의해 조사되었으며, 이는 플래시와 Ni 사이의 광 - 열 상호 작용이 초고속 및 대 면적 MLG 성장을위한 열에너지를 충분히 제공 할 수 있음을 증명한다. 이러한 결과는 생산성이 높은 롤 투롤 (roll-to-roll) 공정과 관련된 그래 핀 (graphene) 대량 생산을위한 크세논 플래시 램프 시스템의 새로운 가능성을 열어 줄 수 있습니다. 3 장에서는 Xenon 플래시 램프 어닐링을 사용하여 웨이퍼 크기의 신뢰할 수있는 팹 호환 및 고밀도 BCP의 초고속 지향 자기 조립 (DSA)을 소개합니다. 플래시 광 조사에 의해 가능하게 된 600 ℃ 이상의 극한 온도에서 밀리 초 단위의 순간 가열 / 담금질 공정은 결함 형성을 최소화하면서 10nm 이하 규모의 자기 조립 나노 패턴의 초고속 대 입자 성장을 성공적으로 달성했습니다. 급속 고차 자기 조립을위한 기본 메커니즘은 BCP 자기 조립의 동역학 및 동력학에 기초하여 분석됩니다. 또한,이 새로운 자체 조립 공정은 넓은 영역에 걸친 10 nm 이하의 나노 패턴을 가진 DSA 나노 리소그래피의 실현 가능성을 입증하기 위해 graphoepi-taxial assembly에 적용되었다. 제 4 장에서는 표피 압전 센서를 이용한 자기 동력 실시간 동맥 맥파 모니터링 시스템을보고한다. 초박형 센서로 견고한 피부에 컨 포멀 (conformal) 부착이 가능하고 작은 인간의 맥박 신호에 반응합니다. 자체 전원식 압전 센서는 0.018 kPa^{-1}의 감도와 60 ms의 응답 시간 및 우수한 기계적 안정성으로 특성을 나타 냈습니다. 사람의 손목과 목에 붙은 초박형 맥박 센서가 건강 상태를 모니터링하기 위해 방사형 / 경동맥 맥박, 호흡률 및 기관 움직임을 감지했습니다. 우리의 압전 센서는 인간 및 마우스 세포 세포 독성 시험으로부터 우수한 생체 적합성을 나타냈다. 또한 실시간 건강 모니터링 작업을 위해 작은 펄스 전압을 증폭하고 필터링하는 보완적인 신호 처리 회로를 시연했습니다. 마지막으로 압전 펄스 센서에 의해 검출 된 요골 동맥 펄스를 스마트 폰에 무선으로 전달 하였다. 5 장에서 우리는 유연한 인쇄 회로 기판 (flexible printed circuit board, FPCB)에 파이 - 전기 기반 압력 센서를 구현하여 밴드 모양의 원형 착용 식 혈압계를보고한다. 압전 효과의 원리를 이용하여 요골 동맥 맥파와 실제 수축기 / 이완기 혈압 (SBP / DBP) 값으로 얻은 센서의 출력 전압 사이의 상관 관계를 조사 하였다. FPCB는 RC 기반의 대역 통과 필터, 충전 IC, 전압 부스터 / 컨버터 및 연산 증폭기 등을 포함하여 센서에 의해 검출 된 펄스 신호를 처리하는 다양한 집적 회로 (IC) 및 칩으로 설계되었습니다. 유추 한 결과는 출력 전압과 혈압 사이의 선형 관계를 보여주었습니다. 또한 우리는 지속적인 심혈관 모니터링을 위해 SBP / DBP 값을 사전에 계산하는 알고리즘을 제시했습니다. 마지막으로 실험적으로 얻은 결과와 알고리즘을 이용하여 SBP / DBP 값을 측정 한 결과, SBP / DBP 값은 각각 2.4 %와 9.7 %의 오차 범위를 가지고 있음을 확인 하였다. 이러한 결과는 지속적인 건강 모니터링 장치를위한 새로운자가 접근 식 착용 형 능동 센서 시스템을 열어 줄 것입니다. 6 장에서는 생체 적합 표피 센서 용 스크린 인쇄 LNKN 박막을 통해 유연 무연 압전 기반 능동 센서를보고합니다. 수십 마이크론 두께를 갖는 LNKN 박막은 진공 기반 증착 방법에 비해 극히 쉽고 간단하며 비용 효율적인 단일 압착 동작으로 얻을 수있었습니다. 유연한 LNKN 센서는 측 방향 변형 및 정상 압력을 포함한 다양한 기계적 모드에 반응하여 1.015V ε^{-1} 및 70ms의 감도 및 응답 시간과 0.0062V kPa^{-1} 및 90ms의 응답 속도를 갖는 특성을 나타냅니다. 우리의 능동 센서는 또한 10 일의 장기간에 걸쳐 우수한 기계적 내구성을 나타 냈습니다. 또한, 사람의 목에 탄력적 인 LNKN 센서가 경동맥 맥박과 깊은 호흡 작용을 감지하여 신호를 증폭 및 신뢰성있는 실시간 의료 신호 모니터링을 위해 스마트 폰에 무선으로 전달했습니다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DMS 19009
형태사항 xvii, 161 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박대용
지도교수의 영문표기 : Keon Jae Lee
지도교수의 한글표기 : 이건재
수록잡지명 : "Self-Powered Real-Time Arterial Pulse Monitoring Using Ultrathin Epidermal Piezoelectric Sensors". Advanced Materials, v. 29, 1702308(2017)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
서지주기 Including references
주제 Light-Material Interaction
xenon flash lamp
block copolymer self-assembly
self-powered system
inorganic-based laser lift off technique
piezoelectric pressure sensor
healthcare monitoring
광 물질 반응
크세논 플래시 램프
블록 공중합체 자기조립
자체 전력 시스템
무기 기반 레이저 리프트 오프
압전 압력 센서
헬스케어 모니터링
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